Какав је значај термичке дифузности у одабиру материјала за грејне плоче за цикличке примене?

Промена температуре плоче има директан утицај на продуктивност процеса као што су термоформирање, композитно обликовање или било који процес који укључује понављајуће циклусе грејања и хлађења. Топлотна проводљивост описује део наратива, док топлотна дифузивност пружа потпунију слику пролазног топлотног одговора. У цикличним применама, избор материјала грејне плоче са високом топлотном дифузивношћу може довести до значајног смањења времена циклуса и потрошње енергије.

Топлотна дифузивност: колико брзо материјал реагује на промене температуре
Топлотна дифузивност ( ) је атрибут материјала који карактерише колико брзо материјал може да промени своју температуру као одговор на промену у свом окружењу. Комбинује три основна квалитета:

=к/ρ*Цп

где:

к=топлотна проводљивост (В/м К)

ρ=густина (кг/м3)

Цп=специфични топлотни капацитет Ј/кг.К

Бројилац (к) је способност провођења топлоте. Именилац (Цп) је запремински топлотни капацитет, који је топлотна енергија потребна да се температура јединице запремине подигне за један степен. Топлотна дифузивност је стога мера брзине којом се топлота шири кроз материјал у поређењу са количином енергије која се мора апсорбовати да би се променила његова температура.

Висока дифузивност значи да ће се материјал брзо загревати и хладити, док ниска дифузивност имплицира термичку тромост.

Топлотна дифузивност типичних материјала грејних плоча
Следећа табела упоређује топлотну дифузивност за материјале који се обично користе у грејним плочама, плочама и површинама за пресовање:

Материјал Термичка проводљивост (В/м·К) Густина (кг/м³) Специфична проводљивост (Ј/кг·К) Термична проводљивост (мм²/с) Витессе релативно Цуивре (пур) ~400 8960 385 ~116 Трес рапиде
Алуминијум (6061-Т6) ~167 2700 896 ~69 Брзи Алуминијум (5083) ~120 2660 900 ~50 Умерено-брзи
Челик (ниско угљеник) ~50 7850 460 ~13.8 Споро
Нерђајући челик (304) ~16 8000 500 ~4.0 Веома тром
Титанијум (Граде 2) ~17 4510 520 ~7.2 Споро
Напомена: Вредности су приближне и донекле варирају у зависности од легуре и температуре.

Алуминијумске легуре имају вредности топлотне дифузије у опсегу од 50-100 мм²/с, док је нерђајући челик око 4 мм²/с. То значи да ће алуминијумска плоча реаговати на промене снаге грејача или протока хлађења око 10-20 пута брже од плоче од нерђајућег челика исте дебљине.

Зашто је топлотна дифузивност важна за цикличне примене?
У цикличним процесима грејања као што су термоформирање, компресијско обликовање, топлотно заптивање или ламинирање, плоча или грејна плоча се мењају са ниже температуре на задату вредност, одржавају се током процеса и затим се хладе на нижу температуру пре следећег циклуса. Целокупно време циклуса је укупно:

Рамп{0}}(време грејања)

Време је за држање или намакање

Рамп{0}}(време хлађења)

Руковање материјалним временом

Свако смањење времена загревања или хлађења директно повећава проток и минимизира потрошњу енергије по делу.

Материјал са високом топлотном дифузивношћу ће омогућити да плоча брже достигне жељену температуру када се примени струја и да брже одбаци топлоту када се активира ток хлађења. Супротно томе, материјал са слабом дифузијом показује термичко заостајање, центар плоче може и даље бити врућ док се површина охлади или површина може споро реаговати на промене грејача.

У ствари, избор топлотне дифузивности материјала грејне плоче ће одредити да ли плоча може да држи корак са производном линијом брзог циклуса или ће бити уско грло.

Практични пример: Алуминијумска плоча у односу на нерђајући челик
Рецимо да имамо две грејне плоче, дебљине 20 мм, једну од алуминијума (6061), а другу од нерђајућег челика (304). Оба се загревају помоћу идентичних кертриџ грејача и хладе идентичним цевоводима за воду.

Време загревања 50 степени до 200 степени - Алуминијумска плоча се загрева до задате вредности око 1/10 брже од плоче од нерђајућег челика због брзе дифузије топлоте из грејача кроз целу плочу. Плоча од нерђајућег челика показује јак температурни градијент око грејача, језгро заостаје.

Време хлађења 200 степени до 60 степени – Алуминијумска плоча се брзо хлади преносом топлоте ка расхладним каналима и одвођењем топлоте. Језгро плоче од нерђајућег челика задржава топлоту, захтевајући дуготрајно хлађење-или активно хлађење са обе стране.

Потрошња енергије - Нерђајући челик има већи запремински топлотни капацитет (ρ к Цп=4.0 МЈ/м3-К за челик наспрам ≈ 2,4 МЈ/м3-К за алуминијум) Захтева више укупне енергије да би достигао исту просечну температуру због ниже дифузије и троши више енергије током хлађења (осим ако се не користи обнављање енергије).

Преласком са плоче од нерђајућег челика на алуминијумску плочу, можете скратити неколико минута након сваког циклуса за процес који ради 100 циклуса дневно, повећавајући дневни учинак за 20-30%.

Топлотна дифузивност у односу на топлотну проводљивост: зашто су оба важна
Инжењери са искуством у стабилном{0}}транспорту топлоте се углавном концентришу на топлотну проводљивост (к). За грејач који непрекидно ради на константној температури, топлотни ток (за дату температурну разлику) је одређен проводљивошћу. Међутим, за цикличне примене релевантнија статистика је често дифузност.

Супстанца може бити веома проводљива, али такође има висок запремински топлотни капацитет, а тиме и умерену дифузију. На пример, бакар има изузетно високу проводљивост (~400 В/м*К), али и велику густину и умерену специфичну топлоту, тако да је његова дифузивност ~116 мм2/с-и даље веома брза, али не пропорционално бржа од алуминијума (69 мм2/с) с обзиром на много већу проводљивост бакра. Алуминијум пружа идеалан компромис: метал има релативно високу проводљивост, ниску густину и умерену специфичну топлоту, стварајући јаку дифузију уз нижу цену и тежину.

Нерђајући челик је лош проводник и има умерен запремински топлотни капацитет што доводи до веома ниске дифузије. Упркос својој супериорној отпорности на корозију и механичкој чврстоћи, ово чини нерђајући челик неприкладним избором за било коју примену која укључује брзу промену температуре.

Смернице за избор материјала за цикличку примену
Најважнија фигура перформанси је време термичког одзива цикличних грејних плоча које се мења као (дебљина2 / ). Време реакције се смањује за фактор четири када се преполови дебљина. Избор материјала такође има велики утицај.

Користите материјале високе дифузије (алуминијум, бакар или алуминијум{0}}композити бакра) када:

Метода укључује поновљене циклусе загревања и хлађења (нпр. термоформирање, топлотно заваривање, цикличне пресе).

Смањење времена циклуса је императив продуктивности.

Важност енергетске ефикасности (мање уштеде и расипања енергије у сваком циклусу)

Радна температура је испод граница материјала (алуминијум: ~400-500 степени; бакар: ~300 степени за продужену употребу због оксидације).

Изаберите материјале ниже{0}}дифузије (челик, нерђајући челик, титан) само када:

Процес је практично континуиран (стабилно стање) са неколико топлотних циклуса.

Висока температура (> 500Ц) уклања алуминијум и бакар.

Топлотни одговор је важнији од отпорности на корозију или отпорности на механичко хабање.

Грејна плоча је прилично танка да компензује лошу дифузију.

Имајте на уму да ће за веома дебеле плоче (50 мм или више) чак и алуминијум показати значајно термичко заостајање. У овим околностима, ефективна дифузивност се може побољшати коришћењем дизајна са уграђеним грејачима и каналима за хлађење раштрканим по дебљини, или коришћењем бакарних слојева за ширење топлоте (погледајте претходни чланак).

Материјали са високим ограничењима дифузије
За цикличне примене, висока топлотна дифузивност је пожељна, али материјали који је обезбеђују (алуминијум и бакар) имају ограничења:

Максимална температура – ​​чврстоћа алуминијума опада изнад 200-250 степени, а почиње да омекшава знатно изнад 350 степени. Бакар брзо оксидира на ваздуху на 300 степени. Ако је температура изнад 400 степени, бициклизам је спор и можете бирати само од челика или легура никла.

Отпорност на корозију - Алуминијум и бакар нису прикладни за директан контакт са многим хемикалијама или киселим условима. Нерђајући челик је лош дифузор, али може бити неопходан за отпорност на корозију.

Површинска тврдоћа и хабање - Алуминијум је мекан и лако се гребе. У клизном или абразивном контакту могу бити потребне челичне каљене или обложене површине. У таквим случајевима, вишеслојна - плоча (танка челична радна површина повезана са алуминијумском базом) може понудити и отпорност на хабање и високу дифузију.

Закључак: Топлотна дифузивност је кључна за брз избор материјала за бициклизам
Топлотна дифузивност је важна карактеристика у апликацијама које укључују циклично загревање. Он дефинише брзину којом грејна плоча може да реагује на промене у снази грејања или хлађења. Материјали са високом дифузијом, као што је алуминијум (≈50-100 мм2/с), брзо се загревају и хладе, минимизирајући време циклуса и смањујући потрошњу енергије. Материјали са слабом дифузијом (нпр. нерђајући челик (≈4 мм2/с)) показују топлотно кашњење, што резултира дужим трајањем циклуса и губитком енергије.

Тамо где радне температуре и ограничења корозије дозвољавају, алуминијум има предност у односу на челик за процесе у којима су укључени поновљени циклуси грејања и хлађења. За још бржи одзив, бакарни или бакарни{1}}алуминијумски композити су такође опција. Топлотна дифузивност је често критична метрика за цикличне примене. Избор материјала треба да узме у обзир и стабилно-и пролазне термичке перформансе.